信 坤，鐘鐵毅，韓 東

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

無黏結預應力鋼筋混凝土橋墩抗震性能研究

信 坤，鐘鐵毅，韓 東

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

本文利用有限元軟件OpenSees對同濟大學的一項試驗低周反復荷載作用下的2根鋼筋混凝土橋墩和2根無黏結預應力混凝土橋墩進行數(shù)值模擬，并與已有試驗結果進行對比分析。結果表明：所建模型對普通橋墩和無黏結預應力混凝土橋墩的模擬效果均良好，采用初應力法能夠合理模擬無黏結預應力鋼筋的預加力和自復位能力;預應力束如果被放置在截面中心處主要體現(xiàn)其提供軸壓的作用，預應力束如果沿截面的邊緣布置不僅能夠體現(xiàn)其提供軸壓的效果，還能更好地發(fā)揮其高彈性回復能力，墩柱的最大殘余位移也會進一步減小。

無黏結預應力 纖維模型 滯回分析 殘余位移

為了增強橋梁的耐久性，減小橋墩在溫度等因素影響下的開裂程度，預應力技術越來越受到設計人員的關注。Zatar等［1］采用部分預應力配筋的方式，對混凝土墩柱進行擬靜力試驗和擬動力試驗研究，認為由于預應力筋提供豎向預壓力和自復位能力，可有效減少橋墩的殘余位移，減少橋墩的裂縫寬度，同時增大橋墩抗剪強度。Kwan和 Billington［2-3］利用有限元分析方法，對無黏結預應力混凝土墩柱的滯回特性和動力反應進行研究，推演了一系列使用狀態(tài)和倒塌狀態(tài)下的位移能力準則。分析結果表明:由于采用后張法的施工工藝，墩柱的能量耗散能力下降，位移需求可增大20% ～30%。王志強等［4］利用有限元分析方法，證明了在矩形墩的截面中心合理布置無黏結預應力鋼絞線，能夠提高墩柱的抗震性能，并滿足其正常使用狀態(tài)下的性能需求。

從已有研究可知，采用預應力技術，可以使墩柱的自復位能力得到提高，減小墩柱震后的殘余位移。也可能因為能量耗散降低的緣故，將導致位移需求的增加。因此，無黏結預應力束的存在，能否使橋墩達到期望的力學性能，并維持較低的殘余變形，仍值得進一步研究。

本文結合同濟大學的試驗結果［5-6］，基于有限元軟件OpenSees，建立并驗證普通及無黏結預應力混凝土橋墩數(shù)值分析模型，進一步分析無黏結預應力束的有無及布置方式對鋼筋混凝土橋墩抗震性能的影響。

1 模型的建立與驗證

本文采用桁架單元模擬無黏結預應力鋼筋，并采用初應力法施加預應力。

1.1 試驗資料

為了驗證本文所建模型的準確性，本文選用同濟大學已做的2組試驗進行模擬，每組試驗包含同尺寸的普通及無黏結預應力混凝土橋墩各一個。其中一組橋墩編號為 S1和 S2，詳細的墩柱參數(shù)見參考文獻［5］。另一組橋墩編號為 RC1和 UBPC1，詳細的墩柱參數(shù)見參考文獻［6］。其中，S2和 UBPC1為預應力橋墩。

1.2 模擬結果與試驗結果對比

4根橋墩的模擬和試驗所得滯回曲線，在初始剛度、捏攏程度以及卸載剛度方面，均比較吻合。圖1為試件S2墩的滯回曲線。

圖1 試件S2墩模擬與試驗滯回曲線對比

根據(jù)滯回曲線繪制的骨架曲線如圖2所示，由圖2可以看出，模擬和試驗所得骨架曲線，在彈性段、屈服強化段以及軟化段均吻合較好。對于破壞階段，由于數(shù)值模擬時，未考慮混凝土急劇開裂所造成的強度退化，所以，此部分的模擬結果和試驗結果有一定的誤差。

骨架曲線特征值如表1所示，從表1的數(shù)據(jù)可以看出，4根橋墩的試驗結果和模擬結果對比中，屈服荷載、峰值荷載和最終荷載均較吻合。為了和4個橋墩的試驗加載方法保持一致，對于S1和S2，定義試件的強度下降到最大強度的85%為最終破壞;對于RC1和UBPC1，定義試件的強度下降到最大強度的80%為最終破壞。最終破壞對應的變形為極限變形。

圖2 試件S2墩模擬與試驗骨架曲線對比

表1 骨架曲線特征值對比

殘余位移是指當荷載卸載到零時的側向位移，相應的最大殘余位移為當側向位移達到極限位移后，卸載至零時對應的永久側移。如果橋墩的震后殘余位移比較小，不但有利于震后的繼續(xù)運營，而且有利于震后構件的修復，所以殘余變形指標非常重要。為了探究該模型是否能夠較好地反映橋墩的殘余變形指標，本文計算了各橋墩的最大殘余位移，并與試驗結果對比，如表2所示。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，模擬結果和試驗結果比較吻合。

表2 最大殘余位移對比

4個橋墩的試驗結果與模擬結果的對比表明，本文的有限元模型能夠很好地模擬低周反復荷載作用下鋼筋混凝土橋墩和無黏結預應力混凝土橋墩的響應。

2 鋼筋混凝土橋墩及無黏結預應力混凝土橋墩對比分析

為了進一步研究預應力鋼筋在橋墩中所發(fā)揮的作用，以及預應力筋的布置方式對其發(fā)揮作用有何影響，本文在已建立的有限元模型基礎上，添加3種工況:①橋墩UBPC2，②橋墩S3和③橋墩RC2。

將S1，UBPC2和S3三個橋墩進行對比分析，其設計參數(shù)見表3，骨架曲線對比結果如圖3。

表3 S1，UBPC2和S3橋墩的設計參數(shù)

圖3 骨架曲線對比

將RC1，RC2和UBPC1三個橋墩進行對比分析，其主要參數(shù)見表4，對比結果見圖4。

表4 RC1、RC2和UBPC1橋墩的設計參數(shù)

圖4 骨架曲線對比

由圖3和圖4可以看出，預應力混凝土橋墩的初始剛度比鋼筋混凝土橋墩大。這是由于預應力鋼筋為橋墩提供的預壓力，可以部分抵消外荷載作用產(chǎn)生的拉應力，推遲混凝土截面上裂縫的出現(xiàn)，且限制裂縫的開展。預壓力的存在，也促使預應力混凝土橋墩的屈服荷載、峰值荷載等均有一定程度的提高。也是因為預應力筋為橋墩提供預壓力，而且隨著預應力筋的伸長，預應力筋會給橋墩提供額外軸壓，所以預應力墩柱的核心混凝土會比普通鋼筋混凝土墩柱的核心混凝土提早被壓碎，致使試件卸載剛度減小趨勢明顯。

由圖3和圖4還可以看出，將無黏結預應力鋼筋放置在橋墩截面中心的UBPC1橋墩，與RC2橋墩的骨架曲線非常接近?？梢?，如果將無黏結預應力鋼筋放置在橋墩截面的中心處，其作用主要是為橋墩提供與張拉力等量的軸壓。這是由于無黏結預應力鋼筋在橋墩受力過程中長度變化有限，提供的回復力有限，而且由于與混凝土沒有黏結，其參與鋼筋混凝土共同受力的程度小。但是，將無黏結預應力鋼筋放置在截面邊緣處的UBPC2橋墩的墩頂橫向力要比S3橋墩的大。隨著墩頂位移的增大，兩橋墩的墩頂橫向力差距增大。說明預應力鋼筋不僅能為橋墩提供軸壓，而且能為橋墩提供回復力。這是因為預應力橋墩在低周反復荷載作用下，處于邊緣的預應力鋼筋長度發(fā)生變化，為橋墩提供了一部分回復力;而且在此過程中，隨著橋墩墩頂截面的傾斜，受拉側截面預應力筋有增長的趨勢，而受壓側截面的預應力筋有縮短的趨勢，從而兩側預應力筋提供的拉力形成阻礙構件繼續(xù)變形的反彎矩，也起到了回復力的效果。

無論是在截面中心還是沿截面邊緣布置預應力鋼筋，由于預壓力起到軸壓效果，預應力混凝土橋墩的最大殘余位移會比普通鋼筋混凝土橋墩的最大殘余位移小;而且如果將預應力筋放置在截面邊緣，其發(fā)揮的回復力作用會使橋墩的最大殘余位移進一步減小。

3 結論

本文利用有限元軟件OpenSees建立了普通鋼筋混凝土橋墩和無黏結預應力混凝土橋墩的纖維模型，并與試驗結果進行對比分析，結論如下:

1)采用初應力法為模擬預應力筋的桁架單元施加預應力，能夠合理模擬無黏結預應力鋼筋的預加力和自復位能力。驗證了有限元軟件OpenSees模擬低周反復荷載作用下鋼筋混凝土橋墩和無黏結預應力混凝土橋墩響應的可靠性。

2)無黏結預應力筋為試件提供預壓力，推遲混凝土截面上裂縫的出現(xiàn)，且限制裂縫的開展，試件的初始剛度、屈服荷載和峰值荷載均有一定程度上的提高。但是，也是因為預應力筋為橋墩提供預壓力，而且隨著預應力筋的伸長，預應力筋會給橋墩提供額外軸壓，所以預應力墩柱的核心混凝土會比普通鋼筋混凝土墩柱的核心混凝土提早被壓碎，致使試件卸載剛度減小趨勢明顯。

3)預應力束如果被放置在截面中心處，主要體現(xiàn)其提供軸壓的作用;預應力束如果沿截面的邊緣布置，不但能夠體現(xiàn)其提供軸壓的作用，也能更好地發(fā)揮其自復位能力，最大殘余位移也會進一步減小。

［1］ZATAR W A，MUTSUYOSHI H．Residual displacements of concrete bridge piers subjected to near field earthquakes［J］． ACI Structural Journal，2002，99(6):740-749．

［2］KWAN W P，BILLINGTON S L． Unbonded posttensioned concrete bridge piers I:Monotonic and cyclic analysis［J］． Journal of Bridge Engineering，ASCE，2003，8(2):92-101．

［3］KWAN W P，BILLINGTON S L． Unbonded posttensioned concrete bridge piers Ⅱ:Seismic analysis［J］．Journal of Bridge Engineering，ASCE，2003，8(2):102-111．

［4］王志強，葛繼平，魏紅一．東海大橋預應力混凝土橋墩抗震性能分析［J］．同濟大學學報:自然科學版，2008，36(11):1462-1466．

［5］劉豐．節(jié)段拼裝預應力混凝土橋墩擬靜力試驗和分析研究［D］．上海:同濟大學，2008．

［6］葛繼平．節(jié)段拼裝橋墩抗震性能試驗研究與理論分析［D］．上海:同濟大學，2008．

U443．22

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．06

1003-1995(2014)01-0021-03

2013-06-19;

2013-10-11

信坤(1988— )，男，河北廊坊人，碩士研究生。

(責任審編 趙其文)